Development and validation of a multi-component evaporation model for CFD simulations of sprays in internal combustion engines

The formation, ignition and combustion of fuel sprays are highly complex pro- cesses. Detailed numerical simulation tools are of fundamental importance, as they allow to analyze the different subprocesses occurring in the combustion chamber as well as their interactions and interdependencies. To this end, investigations through Computational Fluid Dynamics (CFD) are widely used. Purpose of this Thesis work is the implementation of a multi-component fuel evaporation model in the open-source software package OpenFOAM, to simulate spray evolution in Diesel engines. Such model represents an evolution of the VSB2 spray model, developed at Volvo GTT and later implemented at Chalmers Univer- sity of Technology, and that mainly differs from the standard ones in the way it describes the breakup and evaporation of the liquid. Its prediction capability was limited to monocomponent fuel injection. The validation of the model was carried out by comparing numerical results in term of liquid and vapor penetration lengths with experimental data from ECN (Engine Combustion Network) and from literature. All cases were run in a constant volume and without combustion reactions. A single-component and two bi-component blends were used for numerical simulations, in order to account for differences in volatility. Furthermore, a qualitative analysis of liquid length and evaporation rate variation with gas temperature and blend composition was conducted. The model has shown to properly account for variations in liquid spray penetra- tion with volatility. It also describes well the variations of liquid penetration and evaporation rates with ambient conditions and fuel composition.

La formazione, l’accensione e la combustione di uno spray di combustibile sono processi molto complessi. Le simulazioni numeriche rappresentano uno strumento importante, in quanto permettono di analizzare i diversi sottoprocessi che avvengono nella camera di combustione, così come le loro interazioni e interdipedenze. A questo scopo vengono ampiamente utilizzate indagini eseguite attraverso la Computational Fluid Dynamics (CFD). In questo lavoro di Tesi il modello multi-VSB2 è stato implementato nel codice open-source OpenFOAM, per prevedere l’evaporazione di spray di combustibile multi-componente in motori Diesel ad iniezione diretta . Questo modello è una estensione del modello spray VSB2, sviluppato alla Volvo GTT e successivamente implementato alla Chalmers University of Technology nell’ambiente OpenFOAM, il quale differisce dai modelli standard nel modo in cui descrive il break-up e l’evaporazione dello spray. Le sue capacità predittive sono tuttavia limitate a casi di iniezione di combustibile monocomponente. La validazione del modello proposto è stata effettuata attraverso il confronto tra risultati numerici in termini di penetrazione di liquido e vapore con dati sperimentali provenienti dalla piattaforma ECN (Engine Combustion Network) e da articoli scientifici presenti in letteratura. Tutti i casi sono stati simulati a volume costante e senza reazioni di combustione. Un combustibile monocomponente e due miscele di combustibile bi-componente sono state utilizzate per le simulazioni numeriche, con lo scopo di valutare l’influenza della volatilità delle specie sul fenomeno di evaporazione. Inoltre, è stata condotta una analisi qualitativa delle variazioni della penetrazione della fase liquida e della velocità di evaporazione in funzione di condizioni operative quali temperatura del gas nella camera di combustione e composizione iniziale della miscela di combustibile. Il modello ha dimostrato di saper rappresentare in modo appropriato le variazioni della penetrazione dello spray liquido in funzione della volatilità dei componenti. Inoltre, esso descrive bene l’effetto della temperatura del gas in camera e della composizione del combustibile sul tasso di evaporazione e sulla penetrazione del liquido.